Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Хотя лабораторные исследования генных драйвов у комаров дают ожидаемый результат, модифицированных насекомых пока не выпускают в дикую природу. На волю, однако, выпускают других комаров, геном которых корректируют инструментами, не распространяющимися по популяции. Начиная с 2009 года в Бразилии, Малайзии и на Каймановых островах выпустили больше миллиарда комаров мужского пола с генетической вариацией, смертельной для их потомства12. Биотехнологическая компания Oxitec, создавшая этих комаров, заявила об успехе эксперимента: в пределах опытного участка на Большом Каймане популяция комаров сократилась на 80 %, а в бразильском городе Жакобина – на 90 %13. В 2021 году насекомых выпустили на архипелаге Флорида-Кис, где резко выросла заболеваемость лихорадками денге и Зика14. Разработанный для этого района план в августе 2020-го после ожесточенных споров о новой методике одобрили четырьмя голосами против одного на голосовании в местном Совете по контролю популяции комаров. Традиционно численность этих насекомых здесь контролировали распылением пестицидов, убивающих 30–50 % популяции.
Любопытно, что модифицированные комары Oxitec наглядно демонстрируют работу биофизического механизма, с которым мы уже встречались: летальная мутация находится у них в гене, кодирующем не белок с какой-то узкой биохимической активностью, а фактор транскрипции (см. главу 4), что изменяет регуляторные схемы организма15. Очевидно, мутантные комары производят активатор, который подстегивает собственное перепроизводство; из-за этой положительной обратной связи непрерывно нарастает производство бесполезного белка, который блокирует клеточные механизмы насекомого. В лаборатории самкам, самцам и их потомкам не дает умереть специальный препарат, подавляющий активность этой регуляторной схемы, но в дикой природе доступа к нему нет. Быстро растущие молодые комары гибнут из-за чрезвычайно высокой чувствительности к регуляторному дисбалансу. Между этим методом и генным драйвом есть как сходства, так и различия. Например, оба метода предполагают изменение генома: первый требует постоянного пополнения популяции модифицированными особями, а второй автоматически обеспечивает передачу изменений в поколениях. Понимать разницу очень важно для принятия информированных решений о том, как работать с насущными проблемами общественного здоровья – например, бороться с инфекциями, распространяемыми насекомыми.
Но вернемся к генным драйвам. Их потенциальное внедрение в дикую природу вызывает беспокойство. Истребление вида, помимо сокращения животного разнообразия планеты, может повредить хищникам или гораздо масштабнее нарушить пищевые цепочки, куда этот вид входит. В случае с малярийными комарами аргументы в пользу генного драйва сильнее, чем во многих других ситуациях, поскольку эти насекомые не составляют основу чьего-то рациона, и даже если бы мы устранили несколько видов комаров, то на планете их осталось бы еще свыше 3 тысяч. К тому же нельзя забывать, что на другой чаше этических весов у нас масса человеческих страданий. И все же вопросов еще много. Например, кто должен решать, применять ли генный драйв? Когда речь идет о комарах и малярии, большинство сходится во мнении, что решения о мерах в Африке, на которую приходится больше 90 % заболеваемости, должны принимать африканцы. Но какие именно? Комары не признают государственных границ, а генный драйв работает везде, где есть его мишени.
Эти решения тесно переплетены с вопросами сохранения окружающей среды. Многим хрупким экосистемам угрожают инвазивные виды. Например, крысы на Галапагосских островах изводят местную фауну, пожирая птичьи и черепашьи яйца. Может, генный драйв в случае крыс стал бы более удачным способом защиты аборигенных видов, чем крысиные яды, которые используют сейчас? Подобные вопросы можно перенести и на другие регионы и виды, включая вредителей сельхозкультур.
Размышления о применении генных драйвов и сходных технологий заставляют нас с тревогой вспоминать все прежние неудачи в инженерии экосистем. И это оправданно. Не увидим ли мы в итоге просто новые версии жабьей эпопеи? Впрочем, мы можем учиться на своих ошибках и утешаться тем, что новые технологии точнее старых. Уже разрабатывают дополнительные меры безопасности вроде закодированных в ДНК механизмов, позволяющих блокировать и даже обращать генные драйвы в популяции16. В прошлом хирургические операции не отличались изяществом и часто приводили к смерти пациента от инфекции, но сегодня хирургия точна и, как правило, успешна благодаря углублению наших знаний и внедрению новых методов. Я считаю вполне резонным стремление разработать столь же эффективные инструменты для более масштабных вмешательств. Да, это может звучать чересчур оптимистично, но, как я отметил выше, альтернативы современным методам могут быть еще менее приемлемыми.
 
О взаимоотношениях биотехнологий и общества можно писать еще очень-очень долго. Новые методы и сценарии их применения – воодушевляющие, но рискованные – будут появляться не только в силу углубления наших знаний о природе, но и благодаря дешевизне и удобству создаваемых инструментов. Сегодня я вижу рекламу, в которой мне предлагают полностью прочитать мой геном всего за 300 долларов, тогда как 10 лет назад это стоило 10 тысяч, а 30 лет назад и вовсе 3 миллиарда. Приборы для проведения ПЦР, очистки белков и выращивания клеток сейчас доступны как никогда. Энтузиасты в любительских сообществах делятся биохимическими рецептами и чертежами оборудования, которое печатается на 3D-принтере и помогает осваивать биотехнологическое ремесло прямо в гараже17. Так, участники проекта «Открытый инсулин» задались целью разработать «доступные каждому организмы для производства инсулина», которые должны подарить диабетикам независимость от коммерческих поставщиков инсулина18.
Одних подобная доступность биотехнологического инвентаря ужасает, а других, напротив, радует как проявление демократизации науки. Но вне зависимости от нашего отношения факт остается фактом: эти инструменты сегодня повсюду. Технологии, лежащие в основе футуристических сценариев, уже существуют и применяются во множестве не вызывающих беспокойства сфер – например, в диагностике заболеваний или мониторинге микробных загрязнений. Сложно даже представить, чтобы мы отказались от них или перестали искать новые точки их приложения. Я часто использовал здесь местоимение «мы», не уточняя, кого под ним подразумеваю. В контексте биотехнологий «нами», хорошо это или плохо, может быть кто угодно. Любая относительно развитая страна или даже организация способна использовать инструменты, с которыми мы познакомились на этих страницах. Время покажет, как их будут применять. И снова подчеркну, как важно просвещение для того, чтобы мы принимали наилучшие решения, основанные на понимании сути доступных нам технологий, их возможностей и ограничений. Разумеется, ценность просвещенности не сводится к практическим выгодам. В завершение мы вернемся к более глубоким и вдохновляющим урокам, которые преподносит нам изучение механизмов жизни.
Как понимать понимание?
Важнейший лейтмотив этой книги – то, что лейтмотивы существуют. Живой мир – это не просто набор анатомических структур и биохимических реакций. Существуют законы, мотивы и механизмы, которые объединяют все компоненты этого мира и их деятельность. Теперь, когда вы прочитали предыдущие 15 глав, это не должно вас удивлять. До сих пор, однако, я избегал вопроса, имеет ли такое единство практическое или скорее эстетическое значение. Этот вопрос повинен в своеобразной напряженности, характерной для множества отраслей современной науки. Сперва я проиллюстрирую этот феномен небиологическим примером, а затем мы вернемся к миру живому.
Нельзя сказать, что к изучению физики меня подтолкнуло одно-единственное переживание, но я до сих пор живо помню, как на уроке физики мы отпускали шарик, который скатывался с горки на стол, а затем падал с края стола в пластиковый стаканчик, стоящий на полу. Нам нужно было предугадать, куда поставить стаканчик, чтобы шарик попал прямо в него. На бумаге это может показаться скучным, но меня не переставало удивлять, что шарик падал точно туда, куда его отправляли универсальные законы движения. Получается, что не нужно запоминать никаких специфических фактов о шариках, горках и стаканчиках, поскольку есть общие лейтмотивы, которыми мы руководствуемся. Физика основана на поиске и применении общих принципов, и таков же фундамент биофизического подхода, который я пропагандирую на страницах этой книги.